哈工大開(kāi)發(fā)出皮膚界面?zhèn)鞲衅髦圃旒夹g(shù)

多年來(lái)，人們一直探索可集成在人體皮膚上的穿戴式電子設(shè)備。對(duì)于這類(lèi)電子設(shè)備，此前很難做到在皮膚表面進(jìn)行低溫處理且易于去除?，F(xiàn)在，這一難題被賓夕法尼亞州立大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)（下稱(chēng) “哈工大”）聯(lián)合攻克，該研究小組開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單普遍適用的皮膚界面傳感器制造技術(shù)。相關(guān)論文發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)應(yīng)用材料與界面》雜志上。

圖 | 使用中的手背可穿戴傳感器

論文作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)材料研究所工程科學(xué)和力學(xué)助理教授程寰宇告訴 DeepTech，本次研究的主要?jiǎng)?chuàng)新是演示了一種新型燒結(jié)助劑層。

論文的第一作者張玲目前是賓夕法尼亞州立大學(xué)的訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生。在此之前，她曾研究出一種具有傳播電信號(hào)功能的特殊紙張。聯(lián)合研究組對(duì)這種特殊紙張 “夾層” 中的膠體成分（一種納米顆粒）進(jìn)行反復(fù)對(duì)比研究，最終選定碳酸鈣和銀納米顆粒為主要成分 —— 它們可以在室溫下完成燒結(jié)，制成粘貼在皮膚上的傳感器。

新型傳感器可捕捉新冠肺炎患者體征信號(hào)

程寰宇表示，該傳感器可間接測(cè)量新冠患者病情發(fā)展程度。以疫情較為嚴(yán)重的美國(guó)為例，很多新冠病人出現(xiàn)癥狀以后，多數(shù)首選在家隔離，有時(shí)病情已經(jīng)加重，病人和家屬可能都還沒(méi)意識(shí)到。如果未能及時(shí)捕捉到病重信號(hào)，有可能出現(xiàn)生命危險(xiǎn)。

基于此，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)直接在皮膚上室溫?zé)Y(jié)柔性傳感器，使該傳感器可以顯示體征參數(shù)變化，包括溫度、血氧飽和度、心率、呼吸頻率、收縮壓和意識(shí)水平等。

比如，當(dāng)一個(gè)病人從發(fā)低燒到發(fā)高燒，傳感器上會(huì)顯示 0 分、1 分、2 分的變化，分?jǐn)?shù)越高，癥狀越嚴(yán)重。再就是呼吸變化，心率過(guò)快或過(guò)慢都可能是新冠癥狀加重的表現(xiàn)。

除檢測(cè)新冠肺炎病情之外，本次共制備出幾種傳感器，首先是溫度傳感器，可感知感染帶來(lái)的溫度升高，該團(tuán)隊(duì)使用熱敏電阻的方式來(lái)感知溫度 —— 其原理是，把熱敏電阻或普通金屬加熱后，電阻就會(huì)改變。

圖 | 傳感器可測(cè)量各種信號(hào)

金屬在正常情況下都具有線(xiàn)型的、正向變化的電阻。電阻會(huì)隨著溫度升高而升高，因此只要測(cè)出電阻大小，并找出特定條件下電阻和溫度的關(guān)系，就能直接得到溫度。

這種傳感器還可以做空氣濕度測(cè)量，屬于電容測(cè)量方式。我們中學(xué)里都學(xué)過(guò)平行板電容器，由兩塊相互平行的金屬導(dǎo)體極板構(gòu)成，中間被電介質(zhì)材料隔開(kāi)，只不過(guò)在這種傳感器中，平行板替換成了手指，指和指之間產(chǎn)生了類(lèi)似平行板電容器的效果，濕度值主要通過(guò)電容結(jié)點(diǎn)常數(shù)來(lái)改變。當(dāng)貼在皮膚上，皮膚含水量會(huì)發(fā)生改變。含水量變化了，等效介電常數(shù)會(huì)跟著改變，電容也會(huì)隨之改變。只要獲悉對(duì)應(yīng)電容或者阻抗，就能反推對(duì)應(yīng)的濕度值。

以心電圖為例，其原理主要是采集肌肉電波等生理電信號(hào)，在身上貼上水凝膠電極，就能采集到生物皮膚上電信號(hào)的改變。這是因?yàn)榧∪?、心肌和骨骼肌在運(yùn)動(dòng)時(shí)，細(xì)胞薄膜的離子通道會(huì)發(fā)生改變。人體內(nèi)的鈉離子和鉀離子通過(guò)通道后，會(huì)從細(xì)胞膜內(nèi)跑到膜外，采集設(shè)備的電量會(huì)因此發(fā)生改變。

圖 | 心電圖（來(lái)源：維基百科）

但是，水凝膠的問(wèn)題在于不久后就會(huì)由濕變干，或者會(huì)在皮膚上彎曲?；诖?，該團(tuán)隊(duì)把銀電極通過(guò)燒結(jié)助劑層直接在室溫下燒結(jié)在皮膚上，解決了水凝膠長(zhǎng)時(shí)間使用的難題。

另一個(gè)需要考慮的是皮膚貼合質(zhì)量，如果電極沒(méi)在皮膚上貼好，就會(huì)產(chǎn)生很大的接觸阻抗，而這會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，接觸不好就會(huì)產(chǎn)生大量噪音，也會(huì)更容易受運(yùn)動(dòng)影響。

當(dāng)傳感器電極測(cè)量生物電信號(hào)時(shí)，需要降低接觸阻抗。該研究小組研制的傳感器和手背的貼合度比較好，再加上膠水黏性會(huì)更好，相比商業(yè)凝膠來(lái)說(shuō)，阻抗也更小。據(jù)程寰宇介紹，這種貼合質(zhì)量已經(jīng)超越其他相關(guān)論文研究、以及市面上的商業(yè)凝膠效果。

概括來(lái)說(shuō)，該傳感器在測(cè)量電壓、電容、電阻三方面，均已經(jīng)比較成熟，未來(lái)有望進(jìn)行大規(guī)模使用。

該團(tuán)隊(duì)還將和其他團(tuán)隊(duì)一起，把傳感器貼在魚(yú)和哺乳動(dòng)物身上，結(jié)合傳感器和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，以跟蹤動(dòng)物行為。比如，在大壩建完后，要檢測(cè)魚(yú)群遷徙特征是否發(fā)生變化，可以給魚(yú)貼合傳感器后，把它繼續(xù)放進(jìn)海洋等大自然環(huán)境，然后跟蹤它們。

另一方面，從 SARS 到新冠，都跟野生動(dòng)物攜帶病毒并傳到人身上有關(guān)。故此，該團(tuán)隊(duì)未來(lái)也會(huì)考慮通過(guò)傳感器來(lái)了解動(dòng)物。

更廣的應(yīng)用圖景

本次研究的傳感器的不同之處在于，它是柔性的、并且貼在手上后可以進(jìn)行清洗。這樣還可降低電子垃圾。如果可以大規(guī)模生產(chǎn)，也會(huì)比較環(huán)保 —— 它們用的是生活中的常用材料，很多膠水、面膜都會(huì)用到它。

45℃以上的水溫，就可以把它洗掉。但是和體溫相當(dāng)?shù)乃瑒t無(wú)法把它洗掉，這樣能保證傳感器牢固帖在手上。該團(tuán)隊(duì)在不同條件下做過(guò)嘗試，如果貼在皮膚上一直不清洗，最長(zhǎng)幾周仍可固定在手背上。

該團(tuán)隊(duì)還做過(guò)信號(hào)分析系統(tǒng)和柔性處理器，可以跟電腦和手機(jī)聯(lián)合應(yīng)用，后者可以采集和分析對(duì)應(yīng)信號(hào)，藍(lán)牙、無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)饶K都可以全部集成在應(yīng)用上。這樣采集到的信號(hào)，可通過(guò)穿在身上的衣服，以無(wú)線(xiàn)的方式傳輸?shù)绞謾C(jī)上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新冠、心肌梗塞、老人摔倒等情況。

該產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是可以直接集成在皮膚或軟材料上，它能更好地提升對(duì)應(yīng)信號(hào)，也可以采到原先只有在醫(yī)用環(huán)境中才能采到的信號(hào)。有了貼合度較好的傳感器后，其高質(zhì)量的信號(hào)可讓我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程也能接受測(cè)試，并能實(shí)時(shí)知道心臟情況。

該團(tuán)隊(duì)的傳感器還在考慮更好的美學(xué)效果。貼紙傳感器當(dāng)前的顏色，主要是金屬色。用銀和不同金屬材料進(jìn)行混合，就會(huì)有不一樣的顏色。雖然顏色沒(méi)有調(diào)色板那樣多，但通過(guò)和其他材料混合，可以生成不同的顏色甚至透明色。就像小時(shí)候玩的貼圖一樣，有的是海盜，有的是蝴蝶，將來(lái)可以把貼圖做成不同圖案，里面集成著各種電子傳感器，外面具有一定的美學(xué)特征。這樣即使露出來(lái)也很美觀，用戶(hù)會(huì)有意愿去穿戴。

首次被亞馬遜 Pick 的學(xué)術(shù)成果

該團(tuán)隊(duì)從最初做可穿戴的氣體傳感器，轉(zhuǎn)向如今在皮膚上直接燒結(jié)傳感器。2020 年初，該團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表并經(jīng)媒體報(bào)道后，已有一些意向公司來(lái)聯(lián)系他們。目前他們正在和亞馬遜溝通可能的商業(yè)化，據(jù)程寰宇介紹，這也是亞馬遜實(shí)驗(yàn)室首次 Pick 學(xué)術(shù)成果，并有意向做成產(chǎn)品。

不過(guò)程寰宇認(rèn)為，從小公司身上他們學(xué)到的更多：小企業(yè)更多是把技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行優(yōu)化，然后做出產(chǎn)品；或者用傳感器本身的技術(shù)，來(lái)驗(yàn)證他們的產(chǎn)品。

目前該團(tuán)隊(duì)剛開(kāi)始和企業(yè)交流，雙方希望通過(guò)多方資源協(xié)調(diào)和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，來(lái)推出有意思的產(chǎn)品。亞馬遜方面認(rèn)為，未來(lái)最有可能先推出的是可穿戴的氣體傳感器，但各種柔性可穿戴傳感器同樣很有前景。

原文標(biāo)題：“貼紙”型可穿戴傳感器誕生，中美科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控健康風(fēng)險(xiǎn)

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